Appleの統合メモリアーキテクチャは、Apple Silicon M1チップによって初めてMacに変化をもたらしました。ハードウェアにとってはアーキテクチャ上の明らかなメリットがあり、消費者にとっては良い面と悪い面の両方があります。その理由を説明します。
Appleの統合メモリアーキテクチャ（UMA）は、2020年6月に新しいApple Silicon CPUとともに発表されました。UMAは従来のメモリアプローチと比較して多くの利点があり、パフォーマンスとサイズの両面で革命的な進歩を遂げています。
従来のデスクトップ コンピュータやラップトップ コンピュータの設計では、RAM と呼ばれるメイン システム メモリは、CPU や GPU とは別のシステム バス上に配置されています。
通常、バスコントローラが必要です。バスコントローラは、CPUがメインシステムメモリからデータを必要とするときに割り込みを使用します。割り込みとは、タスクの実行中にコンピューターのさまざまな部分がシステムの他の部分を一時停止するために使用するハードウェア信号です。
割り込みによりシステム処理に遅延が発生します。
例えば、CPUがメモリ内のデータにアクセスする必要があるときや、画面を更新する必要があるときは、割り込みが生成され、システムは一時停止し、タスクを完了します。タスクが完了すると、システムは通常の処理を再開します。
ダイレクトメモリアクセス（DMA）は後に導入されましたが、マザーボードのサイズと距離によっては、RAMへのアクセスが依然として遅くなることがあります。DMAは、一部のコンピュータサブシステムがCPUから独立してメモリにアクセスできるという概念です。
DMAでは、CPUがメモリ転送を開始し、その後他の作業を実行します。DMA操作が完了すると、メモリコントローラはCPUにデータの準備が完了したことを知らせる割り込みを生成します。
RAMアクセスは、従来のコンピュータアーキテクチャにおける割り込みの一種に過ぎません。一般的に、バスと割り込みの数が増えるほど、コンピュータのパフォーマンスボトルネックが増加します。
システムオンチップ
グラフィックス・プロセッシング・ユニット（GPU）とゲームコンソールは、バスや割り込みを排除し、コンポーネントを単一のチップに統合することで、長年この問題を解決してきました。例えばGPUは通常、チップに専用のRAMを搭載しており、処理速度が向上し、より高速なグラフィックスを実現しています。
このシステム オン チップ (SoC) 設計は、速度の向上とコンポーネント数の削減の両方を実現し、製品全体のコストを削減するため、システムおよび CPU 設計における新しいトレンドとなっています。
また、システムの小型化も可能になります。スマートフォンでは長年にわたり、Apple独自のiPhone ARM SoCのように、サイズを縮小し消費電力を節約するSoC設計が採用されてきました。
ソニーの PlayStation 2 は、12 個を超える従来のコンポーネントとサブシステムを 1 つのダイに統合した Emotion Engine と呼ばれる統合 SoC を搭載して出荷された最初の消費者向けゲーム コンソールでした。
AppleのM1とM2 ARMベースのチップ設計は似ています。基本的には、CPU、GPU、メインRAM、その他のコンポーネントを1つのチップに統合したSoC設計です。
この設計では、CPUがメモリバスを介してRAMの内容にアクセスする代わりに、RAMがCPUに直接接続されます。CPUがRAMにデータを保存または取得する必要がある場合、データはRAMチップに直接送信されます。
この変更により、バス割り込みは発生しなくなります。
Apple の M1 統合アーキテクチャ。
この設計により、RAMバスのボトルネックが解消され、パフォーマンスが大幅に向上します。例えば、M1 Maxは400GB/秒のメモリスループットを実現し、これはソニーのPlayStation 5などの最新ゲーム機に匹敵する性能です。
SoC 統合は、M1 および M2 シリーズの CPU が非常に高速である主な理由の 1 つであり、最新のコンソール ゲーム レベルのグラフィックスがついに Mac に搭載される理由でもあります。
そのため、macOS は、数十年にわたってややゴムのような感触だったのが、ようやく軽快で応答性に優れたものになったのです。
SoCは消費電力と発熱を大幅に削減するため、ノートパソコン、スマートフォン、タブレットなどのポータブルデバイスに最適です。発熱が少ないということは、コンポーネントの寿命が長くなり、経年劣化による材料の劣化も少なくなることを意味します。
熱は時間の経過とともにシステムのパフォーマンスに影響を与えます。部品に含まれる材料の特性を徐々に劣化させ、パフォーマンスをわずかに低下させます。これは、非常に古いコンピューターが時間の経過とともに「遅くなる」ように見える理由の一つであり、故障の大きな原因となっています。
電気工学の世界では「熱は電子機器の敵」と言われています。
RAM を統合した Apple の M1 CPU。
Apple Siliconの統合メモリの欠点
Apple の SoC 設計は従来の設計に比べて大幅に改善されていることが証明されていますが、欠点もいくつかあります。
最初で最も明白なのはアップグレードです。システム RAM は CPU 自体に含まれているため、CPU を交換する以外に後で RAM をアップグレードする方法はありません。しかし、現代の表面実装デバイス (SMD) はんだ付け技術では、CPU を交換することはおそらく望ましくないでしょう。
初期の Mac モデルには、RAM DIMM (デュアル インライン メモリ モジュール) またはメモリ「スティック」のバンクが搭載されており、メモリをアップグレードするために、より大きなサイズのメモリに交換することができました。
Apple Siliconでは、RAMチップ自体がCPUに組み込まれているため、その選択肢はなくなります。Apple Silicon搭載Macを購入すると、最初に注文したRAMサイズしか選択できなくなります。
もう一つの欠点は、RAMやCPUが故障すると、システム全体が故障してしまうことです。部品の一部だけを交換することはできず、すべてを交換する必要があります。
最近のMacのマザーボードは非常に小型で、ほとんどがSMDコンポーネントで構成されています。ほとんどの場合、マザーボード全体を交換するか、新しいMacを購入する方が安くて早く済みます。
SoCのもう一つの、そして同様に明白な欠点は、統合型GPUを使用しているため、Macのグラフィックカードを後からより高速または大容量のバージョンにアップグレードする手段がないことです。さらに、AppleがApple Siliconで外付けThunderbolt GPU拡張ボックスのサポートを終了したため、外付けGPU拡張すら選択肢から外れてしまいました。
もちろん、これらすべてが意味するのは、現代の Mac が、私たちが従来考えてきたようなコンピューターというよりも、ますます「家電製品」に近づいてきているということです。
全体的には、これは良いことです。
つまり、数年ごとに新しいMacを買いたくなるということですが、パフォーマンスの向上を考えると、アップグレードする価値は十分にあります。Appleの旧来のIntelベースのアーキテクチャと比較すると、Apple Siliconはパフォーマンスの面で完全な革命です。
システムがますます小型化するにつれ、デバイスも同様に小型化します。ノートパソコンはより薄く軽くなり、バッテリー寿命も向上し続け、パフォーマンスも時間とともに向上していきます。
数年後には、Apple Silicon が十分に進化し、新しい Mac を購入する価値が十分に得られるようになることは間違いありません。時は金なり。Apple Silicon を搭載した最新の Mac でこなせる仕事量は、アップグレードにかかるコストをはるかに上回ります。
Apple Silicon の技術的な詳細については、Apple の開発者向け Web サイトで読むことができます。
